空間采樣率對(duì)數(shù)碼顯微鏡圖像分辨率的影響-華普通用

數(shù)碼顯微鏡是在傳統(tǒng)顯微鏡上增加了數(shù)字圖像傳感器CCD或CMOS的顯微鏡，與計(jì)算機(jī)、圖像處理、自動(dòng)化、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)相結(jié)合，可衍生出多種產(chǎn)品和應(yīng)用，如自動(dòng)顯微鏡、數(shù)碼互動(dòng)顯微鏡、數(shù)字切片掃描儀等，能給用戶帶來極大的便利，在教學(xué)、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

作為傳感器，人眼和數(shù)字圖像傳感器CCD/CMOS主要有兩方面的不同：一是數(shù)字圖像傳感器是由很多離散的感光器件組成，用其作為傳感器接收顯微圖像，實(shí)際上是一個(gè)數(shù)字化過程（也稱為空間采樣）需要滿足采樣定理即奈奎斯特定理，這樣圖像才能準(zhǔn)確重建；二是數(shù)字圖像傳感器的響應(yīng)波長與人眼不一樣，所以會(huì)受光源光譜特性的影響。本文從空間采樣率和光源這兩方面來分析對(duì)數(shù)碼顯微圖像分辨率的影響。

空間采樣率對(duì)數(shù)碼顯微鏡圖像分辨率的影響

奈奎斯特采樣定理是指將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)時(shí)，要求采樣頻率f_s要大于模擬信號(hào)中最高頻率f_max的2倍,即f_s＞f_max才可以通過采樣之后的數(shù)字信號(hào)準(zhǔn)確地重建出模擬信號(hào)。對(duì)于顯微圖像的數(shù)字化，其最高頻率就是由物鏡的極限分辨率決定的，采樣頻率也稱為空間采樣率，一般實(shí)際應(yīng)用時(shí)要求空間采樣率為物鏡的極限分辨率的2.8倍左右。

顯微鏡的極限分辨率r是由物鏡的數(shù)值孔徑NA和波長λ決定的，滿足式①                    

因此波長越短，顯微鏡的極限分辨率越高。

空間采樣率s的計(jì)算式②為

式中p為數(shù)字圖像傳感器像素的邊長；β1為顯微物鏡的放大倍率；β2為攝像鏡頭的放大倍率。

因此改變攝像鏡頭的放大倍率，可以改變空間采樣率。選用一組不同放大倍率的攝像鏡頭實(shí)現(xiàn)不同的空間采樣率，以研究空間采樣率對(duì)數(shù)碼圖像分辨率的影響。具體實(shí)驗(yàn)條件如下：

顯微鏡：BA310顯微鏡。

光源：白光LED和鹵素?zé)簦苫Q），帶有550/20nm的干涉濾色片。

顯微物鏡：根據(jù)式①，其極限分辨率為0.45μm。

攝像頭：CM3-U3-50S5M黑白攝像頭，像素邊長為3.45μm。

觀察標(biāo)本：采用USAF1951鑒別率板（如圖1）所示，40×/0.75顯微物鏡可觀察的極限線對(duì)數(shù)為2048（11-1組）。